Revolucionaria tecnología de membrana extrae litio del agua

Laboratorio Nacional Argonne, Lemont, IL y Universidad de Chicago, IL

Célula en forma de H para estudiar el comportamiento de transporte de la membrana:la mitad tiene una mezcla de agua salada (líquido azul), la otra muestra el resultado después de la separación de la membrana (líquido transparente). De izquierda a derecha:Seth Darling y Yining Liu. (Imagen:Laboratorio Nacional Argonne)

El litio, el metal más ligero de la tabla periódica, desempeña un papel fundamental en la vida moderna. Su bajo peso y alta densidad energética lo hacen ideal para vehículos eléctricos, teléfonos celulares, computadoras portátiles y tecnologías militares donde cada gramo cuenta. A medida que la demanda de litio se dispara, aumentan las preocupaciones sobre el suministro y la confiabilidad.

Para ayudar a satisfacer la creciente demanda y posibles problemas en la cadena de suministro, los científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han desarrollado una innovadora tecnología de membrana que extrae eficientemente litio del agua. Varios miembros del equipo también tienen nombramientos conjuntos con la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular (PME) de la Universidad de Chicago.

"La nueva membrana que hemos desarrollado ofrece una alternativa potencial abundante y de bajo costo para la extracción de litio aquí en casa", dijo Seth Darling, director de ciencia y tecnología de la dirección de Tecnologías Energéticas Avanzadas de Argonne. También es Director del Centro de Investigación de Fronteras Energéticas de Materiales Avanzados para Sistemas Energía-Agua (AMEWS) en Argonne y científico senior de PME.

En este momento, la mayor parte del litio del mundo proviene de la minería de roca dura y de lagos salados en tan solo unos pocos países, lo que deja las cadenas de suministro vulnerables a las interrupciones. Sin embargo, la mayor parte del litio de la Tierra en realidad está disuelto en agua de mar y en reservas subterráneas de agua salada. ¿El problema? Extraerlo de estas fuentes no convencionales ha sido prohibitivamente costoso, ha requerido mucha energía y es ineficiente. Los métodos tradicionales luchan por separar el litio de otros elementos más abundantes como el sodio y el magnesio.

En el agua salada, el litio y otros elementos existen como cationes. Son átomos que han perdido uno o más electrones, dándoles una carga eléctrica positiva. La clave para una extracción eficiente de litio radica en filtrar los otros cationes según el tamaño y el grado de carga.

Estructura atómica de una membrana de vermiculita que muestra capas 2D sostenidas por pilares de óxido de aluminio. Las bolas amarillas están dopadas con iones de sodio. (Imagen:Laboratorio Nacional Argonne)

La nueva membrana ofrece una prometedora solución de bajo coste. Está hecho de vermiculita, una arcilla naturalmente abundante que cuesta sólo unos 350 dólares la tonelada. El equipo desarrolló un proceso para pelar la arcilla en capas ultrafinas (de apenas una milmillonésima parte de un metro de espesor) y luego volver a apilarlas para formar una especie de filtro. Estas capas son tan delgadas que se consideran 2D.

Pero había un problema:sin tratar, las capas de arcilla se deshacen en agua en media hora debido a su fuerte afinidad con ella.

Para resolver este problema, los investigadores insertaron pilares microscópicos de óxido de aluminio entre las capas, dando a la estructura la apariencia de un estacionamiento de gran altura en construcción, con muchos pilares sólidos que sujetan cada "piso" en su lugar. Esta arquitectura evita el colapso y al mismo tiempo neutraliza la carga superficial negativa de la membrana, un paso crucial para modificaciones posteriores.

A continuación, se introdujeron cationes de sodio en la membrana, donde se asentaron alrededor de los pilares de óxido de aluminio. Esto cambió la carga superficial de la membrana de neutra a positiva. En el agua, tanto los iones de magnesio como los de litio tienen una carga positiva, pero los iones de magnesio tienen una carga más alta (+2) en comparación con los del litio (+1). La superficie cargada positivamente de la membrana repele los iones de magnesio con mayor carga con más fuerza que los iones de litio. Esta diferencia permite que la membrana capture iones de litio más fácilmente mientras mantiene alejados a los iones de magnesio.

Para perfeccionar aún más el rendimiento, el equipo añadió aún más iones de sodio. Esto disminuyó el tamaño de los poros de la membrana. El resultado es que la membrana permite el paso de los iones más pequeños, como el sodio y el potasio, mientras atrapa los iones de litio más grandes.

"Al filtrar tanto por tamaño como por carga de iones, nuestra membrana puede extraer litio del agua con mucha mayor eficiencia", dijo el primer autor Yining Liu, Ph.D. Candidato en UChicago y miembro del equipo AMEWS. "Una membrana de este tipo podría reducir nuestra dependencia de proveedores extranjeros y abrir la puerta a nuevas reservas de litio en lugares que nunca consideramos".

Los investigadores creen que este avance podría tener aplicaciones más amplias, desde la recuperación de otros materiales clave como níquel, cobalto y elementos de tierras raras, hasta la eliminación de contaminantes dañinos de los suministros de agua.

"Hay muchos tipos de este material arcilloso", dijo Liu. "Estamos explorando cómo podría ayudar a recolectar elementos críticos del agua de mar y de las salmueras de los lagos salados o incluso ayudar a limpiar nuestra agua potable".

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